△ 신개념 웨어러블 의료기기 기술이 잇따라 등장하고 있다.

국내에서 건강 상태를 모니터링할 수 있는 웨어러블 의료기기 기술을 잇따라 개발했다.

30일 의료계 등에 따르면 국내 연구진이 병원급 혈류 측정 AI 기반 무선 전자패치, 화학접착제 없이 500회 재사용 가능한 고성능 심전도 패치, 채혈없이 땀으로 체내대사 측정 스마트패치 등을 개발하는데 성공했다.

한국과학기술원(KAIST) 기계공학과 박인규 석좌교수팀은 최근 한밭대 하지환 교수, 한국기계연구원 정준호 연구원, 미국 캘리포니아공과대 웨이 가오 교수와 함께 여러 생체 정보를 동시에 측정할 수 있는 광전자(빛과 전기 신호를 함께 활용하는 기술) 센서와 기능성 드레싱을 결합한 '무선·무전원 기반 광전자 다중 모달 센서 패치'를 개발했다.

상처 부위의 포도당 농도, 산성도(pH·수소 이온 농도를 나타내는 지표), 온도 변화 등을 실시간으로 분석할 수 있으며, 환자 스스로 스마트폰으로 상태를 확인할 수 있다.

연구팀은 전기장을 이용해 머리카락보다 훨씬 가는 섬유를 만드는 전기방사 공법으로 기능성 나노섬유 드레싱을 제작했다. 이 드레싱은 당뇨발 환부에서 나타나는 포도당 증가와 산성도 변화에 반응해 색상이 변한다.

즉, 상처 상태가 악화하면 드레싱 색이 달라져 위험 신호를 육안으로도 쉽게 확인할 수 있는 것이다. 이를 통해 조직 괴사로 이어질 수 있는 이상 징후를 비침습적(피부를 절개하거나 채혈하지 않는 방식)으로 감지하고 장기간 추적 관찰할 수 있다.

연구팀은 여기에 광전자 시스템을 결합해 진단 정확도를 높였다.

패치에 내장된 유기발광다이오드(LED·전기를 빛으로 바꾸는 반도체 소자)와 빛을 감지하는 반도체 센서인 포토다이오드가 드레싱의 색 변화를 빛의 반사율로 측정한 뒤 이를 전기 신호로 변환한다.

이는 일반 카메라 촬영 방식보다 주변 조명 변화 영향을 덜 받아 더욱 정확하고 안정적인 데이터를 제공한다고 연구팀은 설명했다.

특히 해당 패치는 근거리무선통신(NFC·짧은 거리에서 데이터를 주고받는 무선 통신 기술) 기반 유연 회로를 적용해 별도의 배터리 없이 작동한다.

스마트폰을 센서 가까이 대면 무선으로 전력을 공급받아 작동하며, 측정된 데이터를 실시간으로 전송한다. 환자와 의료진은 별도의 복잡한 장비 없이 스마트폰 앱만으로 상처 상태를 즉시 확인하고 대응할 수 있다.

연구팀은 이번 기술이 향후 당뇨뿐만 아니라 다양한 만성질환의 무채혈 진단 기술로 확장될 수 있는 핵심 원천기술이 될 것으로 기대했다.

한국과학기술원(KAIST) 전기및전자공학부 권경하 교수팀은 최근 딥러닝과 다층 열 센싱 기술을 결합한 무선 웨어러블 혈류 측정 시스템을 개발했다.

이 장치는 혈관을 직접 건드리지 않고도(비침습 방식) 혈류 속도와 혈관 깊이를 동시에 측정할 수 있다.

연구팀은 혈액이 흐를 때 주변에서 미세한 열 이동이 발생한다는 점에 착안해 서로 다른 깊이에 온도 센서를 배치해 열의 이동 경로를 입체적으로 분석하는 '다층 열 센싱' 기술을 개발했다. 

여기에 인공지능(AI) 알고리즘을 적용해 복잡한 체온 분포 속에서 혈관 깊이와 실제 혈류 속도를 실시간으로 분리·추출하는 데 성공했다. 

이어 AI를 적용해 복잡한 체온 분포 속에서 혈관의 깊이와 실제 혈류 속도를 정확히 구분해 냈다.

실험 결과 초당 1∼10㎜ 범위의 혈류 속도를 오차 초속 0.12㎜ 이내로, 1∼2㎜ 범위의 혈관 깊이를 오차 0.07㎜ 이내로 측정하는 데 성공했다.

이는 머리카락 굵기보다 작은 수준의 오차로 일반적인 웨어러블 기기로는 구현하기 어려운 정밀도라고 연구팀은 설명했다.

특히 해당 기술을 스마트워치에 사용되는 광혈류(PPG) 센서와 결합할 경우 혈압 측정 오차를 최대 72.6%까지 줄일 수 있는 것으로 나타났다.

이를 통해 웨어러블 기기의 건강 데이터 신뢰도를 크게 높일 수 있을 것으로 기대된다.

연구팀은 이 전자패치가 응급 의료 현장에서 환자의 상태 변화를 실시간 감지하는 데 활용도고 고혈압·당뇨 환자의 건강 관리나 쇼크와 같은 급성 위험 신호의 조기 탐지에도 적용 가능할 것으로 기대했다.

울산과학기술원(UNIST) 기계공학과 정훈의 교수팀은 최근 액체금속과 고무 실리콘의 미세 구조를 활용해 젤과 접착제가 필요 없는 고성능 심전도 패치를 개발했다.

연구팀에 따르면 이 패치는 20마이크로미터(㎛·1㎛는 100만분의 1ｍ) 폭의 액체금속 관이 달팽이 집처럼 돌돌 말린 형태다.

피부에 직접 닿는 관 아랫부분이 뚫린 구조라 심장 박동 신호가 액체금속 전극에 바로 전달될 수 있어 젤이 없이도 심박 신호를 잘 포착한다.

연구진에 따르면 일반 패치는 피부와 닿은 면이 뚫려있어 압력을 받으면 액체금속이 밑으로 새어나올 수 있는데 연구팀은 관 하단에 안쪽으로 말려 들어간 수평 돌기 구조를 만들어 이를 해결했다. 또 관이 워낙 얇아 금속이라도 차가운 느낌이 들지 않는다.

패치의 접착제 역할을 하는 것은 지름 28㎛, 높이 20㎛ 크기의 미세한 돌기다.

갓 돌기 구조가 피부 미세 굴곡에 맞춰 빈틈없이 부착되면서 접촉 면적이 늘어나 물리적 접착력이 강해지는 원리다.

이 패치는 젤이 마르면 신호 정확도가 떨어져 일회용으로 주로 쓰고 버리는 패치와 달리 500회 이상 재사용 가능하며 내구성도 뛰어나다. 

연구팀은 피부가 민감한 환자를 대상으로 하는 장기 건강 모니터링 기술, 고정밀 인간 기계 상호작용 인터페이스 등 차세대 웨어러블 시스템의 원천 기술로 활용될 것으로 기대했다.

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